CN102576265A - 触摸检测 - Google Patents

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Abstract

一种触屏装置(270)，包括辐射源(202)、配置为接收由辐射源发出的辐射(210)并且致使一些接收到的辐射在所述挠性波导内经历全内反射的挠性波导(204)、相对于所述挠性波导设置以便当挠性波导被物理变形时能使阻挠层接触挠性波导的阻挠层(206)，该阻挠层被配置为当所述挠性波导被物理变形以接触所述阻挠层以使在所述挠性波导内经历全内反射的一些接收到的辐射(A、B)在接触点从所述挠性波导逃逸时，致使在所述阻挠层和所述挠性波导之间的接触点处阻挠所接收到的辐射在所述挠性波导内的全内反射，以及被配置为检测至少一些从光学波导逃逸的辐射的成像传感器(208)。

Description

触摸检测
技术领域
该公开内容涉及触摸检测。
背景技术
触敏系统通常涉及检测和响应在表面上的多个同时接触点的系统。典型地，触敏系统以允许使用者使用与触屏接触的一个或多个输入端来查看和操作对象的触屏显示器的形式被结合到电子器件内。其中已经使用触敏系统的电子器件的例子包括平板电脑、个人数字助理(PDA)、以及手机等。各种能使触敏系统工作的方法是可利用的。例如，一些触摸系统通过检测热、压力、电容或光强来识别表面接触。
发明内容
该说明书描述了与触摸检测有关的技术。大体上，在该说明书中描述主题的一个方面可在一种触屏装置实现，该触屏装置包括：辐射源；挠性波导，被配置为接收由辐射源发出的辐射并且致使至少一些接收到的辐射经历在挠性波导内的全内反射；阻挠层，相对于挠性波导设置以便当挠性波导被物理变形时能使阻挠层体接触挠性波导；以及成像传感器，被配置为检测至少一些从挠性波导逃逸的辐射。阻挠层被配置为当挠性波导被物理变形以接触所述阻挠层，以使在挠性波导内经历全内反射的一些接收到的辐射在接触点从挠性波导逃逸时致使在阻挠层和挠性波导之间的接触点处阻挠所接收到的辐射在挠性波导内的全内反射。
这及其他实施方式可选择性地包括下列特征的一个或多个。在一些实施方式中，阻挠层可包括一结构，该结构配置为控制从挠性波导朝向图像传感器逃逸的辐射的至少一部分。例如，该结构可包括集成到所述阻挠层的光漫射表面和/或体漫射结构。在另一个例子中，该结构可包括对应于光栅结构的衍射图形。在一些情况下，衍射图形可通过利用转印到该结构上的干涉图案来形成，其中一系列表示转印的干涉图案的最小或最大亮度的条纹对应于所述光栅结构。该光栅结构可包括一闪耀光栅外形、方波外形、正弦曲线的外形、和/或半正弦曲线的外形。方波外形可包括1位二进制(1-bit binary)的衍射光栅外形。替代地，或另外，该方波外形可包括多位调制的二进制外形(binary profile)。
在另一个例子中，该结构可包括非周期性的衍射图形，其中一系列表示转印到该结构的干涉图案的最小或最小亮度的条纹被布置成非周期性的图形。替代地，或另外，干涉图案的边缘对应于与辐射入射的阻挠层的表面基本上平行的折射率变化平面。
在一些情况下，该结构位于阻挠层的最邻近于挠性波导的表面上和/或位于阻挠层的距离该挠性波导最远的表面上。该结构可被配置为通过衍射控制从挠性波导朝向图像传感器逃逸的辐射的至少一部分。该结构可被配置为通过折射控制从挠性波导朝向图像传感器逃逸的辐射的至少一部分。在一例子中，该结构可包括一系列棱镜。
在一些情况下，该结构被分成几个子结构，每个子结构被配置为控制从挠性波导朝向成像传感器逃逸的辐射。
在一些实施例中，该装置包括一挠性阻挠层，该挠性阻挠层相对于挠性波导设置，以便当挠性阻挠层物理变形时能使挠性阻挠层接触挠性波导。该挠性阻挠层可被配置为当挠性阻挠层物理变形以接触挠性波导以使在挠性波导内经历全内反射的一些接收到的辐射在挠性阻挠层和挠性波导之间的接触点处从挠性波导逃逸时引起在挠性阻挠层和挠性波导之间的接触点处阻挠在挠性波导内接收到的辐射的全内反射。在一些实施例中，所述阻挠层被设置在挠性波导层的第一侧上且所述挠性阻挠层被设置在所述挠性波导层的相对的第二侧上。所述挠性阻挠层可包括一结构，该结构被配置为控制从挠性波导朝向成像传感器逃逸的至少一部分辐射。
在一些实施例中，触屏装置包括邻近于所述阻挠层的显示装置。该显示装置可包括液晶装置，发光二极管装置或有机发光二极管装置。所述阻挠层可被固定到所述显示装置上。所述阻挠层可与所述显示装置光学接触。在一些情况下，所述触屏装置包括耦合层，其中该耦合层与显示装置的距离所述阻挠层最远的一侧接触并且其中所述耦合层被配置为耦合来自显示装置的辐射。该显示装置可包括成像传感器。该成像传感器可被嵌入到显示装置中。在一些实施例中，该触屏装置还包括屏幕投影层，其中该屏幕投影层包括一结构，该结构被配置为使从显示装置发出的至少一部分光漫射。在一些实施例中，所述触屏装置包括屏幕投影层和配置为使来自显示装置的至少一部分光漫射到屏幕投影层上的一结构。
该显示装置可包括一结构，该结构配置为控制从挠性波导朝向图像传感器逃逸的至少一部分辐射。该结构可包括显示装置的偏光器或基底。该结构可包括光漫射结构。该光漫射结构可包括表面漫射层或体漫射结构。
在一些实施例中，触屏装置包括在挠性波导的表面上的覆盖层。替代地，或另外，触屏装置包括在该结构上的覆盖层。部分的覆盖层可位于由该结构限定的凹槽内。
在该说明书中描述的主题的另一方面可体现在一触屏装置，该触屏装置包括：辐射源；挠性波导，其被配置为接收由辐射源发出的辐射并且使得至少一些接收到的辐射在挠性波导内经历全内反射；阻挠层，其相对于挠性波导设置以便当挠性波导在物理变形时能使阻挠层的顶面接触挠性波导；图像产生层，其设置成邻近于所述阻挠层的与该阻挠层的顶面相对的底面，其中所述图像产生层具有面向所述阻挠层的底面的顶面以及与该图像产生层的顶面相对的底面；成像传感器，其被配置为检测从挠性波导逃逸的至少一部分辐射；以及光控制结构，其被设置成邻近于所述图像产生层的底面，其中该光控制结构被配置为控制从挠性波导朝向图像传感器逃逸的至少一部分辐射。所述阻挠层被配置为当挠性波导被物理变形以接触所述阻挠层的顶面以使在挠性波导内经历全内反射的一些接收到的辐射在所述接触点处从挠性波导逃逸时引起在所述阻挠层的顶面和所述挠性波导之间的接触点处阻挠在挠性波导内接收到的辐射的全内反射。所述图像产生层被配置为朝向阻挠层和挠性波导发送输出图像并且对由辐射源发射的辐射是可透射的。
这及其他实施例可选择性地包括以下特征中的一个或多个。例如，在一些实施例中，光控制结构可被粘附到图像产生层的底面。在其他的实施例中，图像产生层的顶面被粘附到阻挠层的底面。图像产生层的顶面可与阻挠层的底面光学接触。图像产生层的顶面可被固定到阻挠层的底面。
在一些实施例中，图像产生层包括液晶装置和/或发光二极管。发光二极管可包括有机发光二极管。在一些实施例中，图像产生层还包括集成的图像检测。
在一些情况下，光控制结构包括光漫射结构。该光漫射结构可包括表面漫射层和/或体漫射层。
在一些实施例中，光控制结构包括对应于光栅结构的衍射图形。该结构可包括非周期的衍射图形，其中该衍射图形的条纹对应于基本上与阻挠层的辐射入射的表面平行对准的折射率变化的平面。
在一些实施例中，光控制结构被配置为通过衍射控制从挠性波导朝向图像传感器逃逸的至少一部分辐射。
在一些情况下，光控制结构被配置为通过折射控制从挠性波导朝向成像传感器逃逸的至少一部分辐射。
在一些实施例中，所述触屏装置包括在挠性波导的表面上的覆盖层。替代地，或另外，所述触屏装置包括在光控制结构的表面上的覆盖层。
在一些实施例中，触屏装置包括多个成像传感器，每个成像传感器被配置为检测从挠性波导逃逸的至少一些辐射。
一个或多个实施例的细节在附图和以下描述中进行了阐述。其他特征将从该描述和附图，以及从所述权利要求，是显而易见的。在此描述的技术可用于包括单点触敏或多点触敏装置的各个实施例中。
附图说明
图1A-1D是用户与触敏装置交互的示意图；
图2A-2B是不同的触敏装置的示例的示意性的横截面图；
图2C是覆盖层的示例的示意性的横截面图；
图3-13是用于结合到触敏装置内的波导和阻挠层的不同配置的示例的示意性的横截面图；
图14是触敏装置的示例的示意性的横截面图。
具体实施方式
触敏系统可接收来自各种接触源的输入，这些接触源包括：例如，人手指、触笔、和/或机械物体。图1A-1D是用户与多点触敏装置100交互的示意图。如图1A-1D所示，当用户使用一个或多个手指接触装置100的触触屏102时，该装置100检测由用户的一个或多个手指与触屏102产生的接触以及追踪用户的(一个或多个)手指沿着触屏102的表面进行的运动。基于检测到的用户(一个或多个)手指在触屏102上留下的一个或多个路径，装置100可操控相应显示器中的信息，不论该显示器是与触屏102分开的还是集成为触屏102的一部分。假定装置100可检测来自多个输入的接触，许多用户可同时操作装置100。
用于检测触敏装置的表面上的一个或多个对象的接触的一个方法包括通过检测沿着所述波导的一些点来检测波导上的接触点，由于作为产生在波导上的所述接触的结果而发生的阻挠全内反射(FTIR)，光从波导的这些点逃逸。当在第一媒介(例如，波导)中行进的光遇到与具有更低的折射率的第二媒介(例如，空气)的界面时，依赖其与该界面的入射角，在第一媒介中行进的光可当其穿过该界面时进行折射。另一方面，如果入射角大于临界角，光将经历在第一媒介内的全内反射(TIR)。例如，波导例如光纤电缆利用TIR以非常小的损失有效地传送光。然而，在一些情况下，光的这样的全内反射可通过将具有更低的折射率的媒介替换为允许光从波导逃逸的另一材料而被阻挠。通过检测逃逸的光来检测引入新材料的位置是可能的。
在本文中公开的触敏装置的实施例包括一挠性波导，其被配置为响应于表面操作(例如，来自于与显示器交互的手指的压力)变形，其引起波导的在表面操作的位置处的一部分体接触之下的阻挠层。沿着波导行进的光，例如，经由全内反射，在接触附近逃逸以产生波导变形可检测的位置，由此表面操作(即，光在波导中的全内反射在波导和阻挠层之间的接触附近被阻挠)可检测的位置。
图2A是触敏装置200的例子的示意性的横截面图，其中与装置200的接触点是基于FTIR进行检测的。如图2A所示，装置200包括辐射源202、挠性波导204、邻近于波导204的阻挠层206以及成像传感器208。阻挠层206相对于挠性波导204定位以使小间隙212存在于阻挠层206和挠性波导204之间。在一些实施例中，突起214可形成在阻挠层206上或形成为阻挠层206的一部分以维持挠性波导204和阻挠层206之间的间隙212。在这样的实施例中，突起214(例如，表面糙度)可与阻挠层206形成为一体，即突起214，以及阻挠层206形成单个块体的无缝的，连续的材料。在一些实施例中，具有随机(或半随机)间隔开的突起的微粗糙层可形成在阻挠层206的表面上，其基本上起到突起214的作用。在一些情况下，突起214由不同于阻挠层206和/或波导204的材料形成。例如，玻璃隔片可用于将丙烯酸树脂波导与聚碳酸酯阻挠层分离开。突起214之间的间隔214可以是随机的、伪随机的、或周期性的。
电磁辐射(例如，红外线(IR)辐射)从辐射源202射出并且耦合到挠性波导204中。由于挠性波导204和围绕波导204的媒介之间的折射率差，至少一些耦合的辐射然后经历TIR并且继续沿着挠性波导204行进。例如，波导204可由一薄层的被空气围绕的挠性丙烯酸树脂形成。考虑到丙烯酸树脂(n＝1.49)和空气(n＝1.0)之间的折射率差，由辐射源202以适当的入射角引入到波导204中的辐射通过TIR在丙烯酸树脂层内且沿着丙烯酸树脂层传播。
波导204由足够柔韧以响应于通过输入施加的压力以使可与阻挠层206产生充分的接触的材料形成。例如，波导204可由例如丙烯酸树脂/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或透明的聚氨基甲酸酯(TPU)的材料形成。也可以使用其他的材料。
为了阻挠在波导204中传播的辐射的TIR，阻挠层206由具有比得上挠性波导204或比挠性波导204更高的折射率的材料形成。因此，当挠性波导204接触到阻挠层206时，至少一部分由于TIR而沿着波导204传播的辐射被“阻挠”并且从波导204逃逸。在一些情况下，至少一部分辐射210继续通过TIR在波导204中传播，如图2A所示。刚性的或非刚性的材料可用于形成阻挠层206。另外，当集成为显示器的一部分时，阻挠层206可由对由显示器光源发出的波长范围是透明的(或至少透射的)的材料形成。例如，阻挠层206可由玻璃或由PMMA形成，它们二者通常在光谱的可见和近红外区中是透射的。替代地，阻挠层206可由相对挠性的材料例如聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、TPU形成，或者由更刚性的材料，例如PET或PC，形成。也可以使用其他的材料。
当波导204接触到阻挠层206时，局部地按下波导204可引起阻挠层206的相当大的局部变形。相比之下，远离波导204和阻挠层206之间的接触区域的阻挠层的部分可经受很少的变形或没有变形。这样的显著的局部变形可导致挠性波导204和阻挠层206之间的体接触区域增大，从而引起增加量的IR从接触点区域中的挠性波导204逃逸。
在一些实施例中，阻挠层206可被配置为具有在大约100μm到300μm范围内的基本上均匀的厚度。在选择用于阻挠层206的适当的厚度时，应将下列方面计入。如果阻挠层206过薄，例如在制造期间可能会难以操作和处理。另一方面，如果阻挠层206过厚，其会引起视差问题，其中用户察觉到接触点从用户正试图交互的实际显示的对象偏移(例如，偏移开阻挠层206的厚度)。在替代的实施例中，阻挠层206可被配置为比100μm更薄(例如，大约10μm或大约30μm)或比300μm更厚(例如，大约1毫米到大约2毫米)。
由于在阻挠层206和挠性波导204之间存在空气空隙212，因此在没有一些外部刺激时在波导204内部几乎没有发生阻挠TIR。然而，当挠性波导204例如被用户手指220按下时，一部分的挠性波导204在对应于按下点的区域201(由虚线圈标记的)内接触阻挠层206。如上所述，在一些实施例中，挠性波导204和阻挠层206之间的接触会引起阻挠层206的局部变形。当阻挠层206接触波导204时，波导204内部的全内反射在区域201内被阻挠，引起至少一些辐射从挠性波导204逃逸。应当注意到，虽然突起214也接触波导204，但是突起214和波导204之间的接触面积，当没有压力被施加到挠性波导204时，与当挠性波导204被按下时阻挠层206和挠性波导204之间的接触面积相比相对较小。因此当没有压力施加到挠性波导204时会在突起214和波导204之间的接触区域中发生的TIR的阻挠是可以忽略的。
如图2A所示，一些辐射，由箭头“A”表示，从挠性波导204的表面204a逃逸并且在朝向成像传感器208的方向上行进。成像传感器208使从表面204a逃逸的辐射成像。结果，成像传感器208可在连续的瞬间内有差别地检测接触点，这些接触点足够有力以变形挠性波导204，从而使得其相对于当没有施加压力时阻挠层206由波导204接触的部分接触显著的阻挠层206的部分。也就是说，对于在波导204上的“单个”接触点，例如通过如图2A所示的手指220接触，与阻挠层206的接触波导204的部分相对应的单个接触“区域”被成像传感器208有差别地检测。同样地，当两个或更多对象(例如，用户的两个或更多手指)同时接触和按下波导204时，多个接触区域被成像传感器208有差别地(和同时地)检测。为了便于讨论，术语“接触点”在整个的公开内容中可被用来更通用地指向产生接触的任何区域或范围。
各种检测器可被用作成像传感器208，其包括，例如电荷耦合器件(CCDs)、光电二级管或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。在一些情况下，透镜位于成像传感器208的前面以将光聚焦到传感器208上。替代地，或另外，成像传感器208可包括一个或多个波导和/或透镜以辅助将入射辐射引向检测装置的检测区域。成像传感器208的输出被供给到适当的电脑或其他电子器件，其能进行图像处理操作，例如校正、本底扣除、噪声排除、和对每个视频帧的分析。机器视觉追踪方法然后可被计算机或其他的电子器件利用以将俘获的图像转变为不连续的接触事件和击打。这样的处理可通过任何适当的计算系统进行。
在一些实施例中，触敏装置200还与能够显示可见图像的背投光源230(例如，图像投影机)结合。因此，触敏装置200可同时起到检测和显示装置的作用。在背投光源230被用来产生输出图像的实施例中，阻挠层206可被配置为在可见光谱中漫射，以使阻挠层206可运行为背投光源230投射的输出图象被投射在其上的一屏幕。替代地，装置200可被配置为包括单独的屏幕，该单独的屏幕包括漫射材料或层，其在可见光谱中是漫射的，以使漫射材料或层可运行为背投光源230投射的输出图象被投射在其上的一屏幕。投影屏的漫射的材料/层可单独结合或与另一漫射薄膜结合。
虽然图2A表示投射光源230与成像传感器208并排布置，但是投射光源230还可通常借助于适当的光学装置设置在其他位置和/或远离成像传感器208。如图2A所示，装置200可包括单个的成像传感器208和单个的投射光源230。在一些实施例中，成像传感器208和挠性波导204之间的距离足够大以使传感器208的视场能够在沿着波导204的表面的基本上任何接触点处成像/检测从波导204逃逸的辐射。
然而，在其他的实施例中，多个投影器可被使用以使不同的图像/视频可被投影到显示器的各个不同部分上。替代地，或另外，多个成像传感器可被使用，以使图像传感器具有能够成像/检测从波导204的不同部分逃逸的辐射的视场。例如，图2B示出了在基于FTIR的触敏装置内使用多个成像传感器208的一个例子。考虑到相对小的相应视场，每个成像传感器208可更接近于挠性波导204。因此，在一些情况下，更薄的基于FTIR的触敏装置可被制造。在基于FTIR的包含多个成像传感器的触敏装置的实施例中，成像传感器和投影器可沿着单个轴线、多个轴线、沿着网格系统、或以其他适当的方式彼此间隔开。例如，这些成像传感器可被布置成以使在邻近的传感器208的视场之间没有重叠。替代地，成像传感器可被布置成以使至少一个传感器208的视场与一个或多个相邻的传感器208的视场重叠。由每个传感器产生的输出然后可被提供给适当的能够进行图像处理操作的电脑(未示出)或其他电子器件，并且被修改以形成与挠性波导204可产生接触点的所有区域或基本上所有区域相对应的复合图像/数据图。所述复合图像/数据图然后可用来确定沿着波导204接触点发生的位置。
辐射源202可包括多个发光二极管(LEDs)，其被布置成抵靠波导204的边缘以便使电磁辐射成为全内反射的耦合最大化。其他的电磁辐射源，例如，激光二极管，可被替代地使用。在一些实施例中，源202可被选择为以电磁光谱的红外线(IR)部分发出辐射以使其发射没有与可见光干扰，如果装置200被集成到显示器中。
在一些实施例中，挠性波导204由支持红外光的TIR的材料形成。另外，当被集成为显示器的一部分时，挠性波导204可被选择为以便对由显示器光源发出的波长范围是透明的(或至少透射的)从而使与显示器的干涉最小化。在一些情况下，挠性波导204的边缘被磨光以使来自源202的辐射的TIR耦合最大化。
在一些实施例中，波导204可被配置为具有在大约0.50毫米到2毫米范围内的基本上均匀的厚度。在选择波导204的适当厚度时，会考虑以下因素。如果波导204太薄，会没有足够的辐射量可从光源202被耦合到波导204中。然而，在将一个或多个激光用于光源202的实施例中可能能够使用更薄的波导204并且与将一个或多个LEDs用作光源202的实施例相比仍具有足够的被耦合成为波导204的辐射量。替代地，如果波导204太厚，那么波导可降低由该装置显示的输出图像的质量。
在一些情况下，通过手指、触笔或其他的对象接触波导204可引起非有意的对波导204内的全内反射的阻挠，即使波导204没有被按下来到足够接触阻挠层206。另外，这样的对象可能损坏波导204。因此，在一些实施例中，覆盖层205位于挠性波导204的顶部，与波导204光学接触或在覆盖层205和波导204之间覆盖有较薄的空隙。如果覆盖层与波导光学接触，覆盖层205由具有比波导204低的折射率的材料形成，以维持波导204内的辐射的全内反射。覆盖层205可防止发生非有意的FTIR并且充当波导204和接触对象之间的障碍。另外，当波导204由例如手指、触笔的对象接触时，覆盖层205保护波导204，防止使其受到损坏和/或污染。当被集成为显示器的一部分时，覆盖层205还对由显示器光源发出的波长范围是透明的(或至少透射的)。例如，覆盖层可由聚四氟乙烯(PTFE)或丙烯酸树脂薄膜形成。
在一些实施例中，覆盖层包括多个层。图2C是位于波导204之上的覆盖层205的示例的横截面示意图，其中覆盖层205包括防眩层205a、红外线(IR)过滤器205b和不浸润的层205c。红外线过滤器层205b起到滤出入射到触敏装置200上的环境红外线光的作用以便减小(例如，防止)图像传感器208检测环境红外线光并且错误地检测与装置200接触的事件。可被用于红外线滤光器层的材料的示例包括ClearAS，其可从住友财团大阪水泥有限公司(Sumitomo Osaka Cement Co.，Ltd)买到。防眩层205a是设置在红外线滤光器层205b的顶面上的抗刮擦的、低摩擦薄膜。可被用作防眩层的薄膜包括，例如，带纹路的聚酯薄膜，例如Autotex，其可从MacDermid公司买到。
在一些情况中，覆盖层205的相当大区域可接触挠性波导以使覆盖层205看起来“浸润”所述挠性波导。所述“浸润”区域非故意地引起对波导204内的全内反射的阻挠。此外，所述浸润区域可改变在波导和覆盖层之间反射的可见光的量，其导致当显示暗图像时部分的触敏装置200表现为大斑点。然而，通过在红外线滤光器层205b的底面上形成抗浸润层205c，浸润区域的尺寸和数量可被减小。类似于防眩层205a，抗浸润层205c还可以是聚酯薄膜，例如Autotex。
在覆盖层205中的薄膜可使用例如光学粘合剂被粘合在一起。在图2C的例子中，空气空隙存在于覆盖层205和挠性波导204之间。覆盖层205和挠性波导204之间的空气空隙可使用例如覆盖层205的底面的表面糙度(例如，非湿润层205c的表面糙度)得以维持。
在一些实施例中，液晶显示器(LCD)技术或发光二极管(LED)显示技术(包括有机发光二极管(OLED)显示技术)可被用来替代背投技术产生输出显示图象。使用LCD或LED显示技术替代背投技术能使触敏装置与利用投影器技术的装置相比具有减小的体积和厚度。利用LEDs，OLEDs或者LCD面板还可增加便携性。这样的“薄面板”触敏系统可被用于膝上型电脑屏幕、平板显示器、个人数字助理和手机、以及其他装置中。LCD面板、LED和OLED阵列可被用作在本文中描述的例子和实施例的任何一个中的光源。
例如，图2B是使用LCD面板240和背光250以产生可见显示的触敏装置270的横截面的示意图。如图2B所示，LCD面板240和背光250被设置在阻挠层206之下。在图2B所示的具体实施例中，LCD面板240被布置成以使其被固定到阻挠层206的底面。虽然没有示出，但是LCD面板240可包括一个或多个元件或层，例如液晶层、滤色器层、一个或多个偏光器层、一个或多个电极层和基底层(例如，玻璃纤维基底)。其他的层或元件也可被包括。同样地，LED和OLED面板可包括，但不限于，一个或多个层或元件，例如发光二极管层、电极层、粘附/密封层和基底层(例如，玻璃纤维基底)。
在一些实施例中，阻挠层206利用例如，具有在数值上大致接近(例如在大约0.1内)阻挠层206和LCD面板240两者的折射率的折射率的光学粘合剂(未示出)直接地粘合到LCD面板240以提供阻挠层206和LCD面板240之间的光学接触。光学粘合剂示例性地可以是在光学上透明的压敏丙烯酸树脂或硅树脂。除了粘附阻挠层206到LCD面板240之外，光学粘合剂的存在可在有些情况下减小否则由于在LCD面板240和阻挠层206的表面处的折射率差别会发生的反射和/或干涉。特别地，具有相对低的折射率(n＝1)的空气空隙被替换为具有较高的折射率(n＞1)的光学粘合剂。此外，在一些情况中，光学粘合剂填充面板240和层206的面对表面之间的粗糙度，其会以其他方式导致另外的光散射。通过减小朝向观察者的光反射量，通过触敏装置270提供的图像对比度可被改进。虽然阻挠层206被表示为固定到LCD面板240，但是阻挠层206可在一些情况中被布置在基于FTIR的触敏装置中以使其没有粘附到LCD面板240。
LCD面板240内的单独的像素部分可被配置为阻挡或传达由背光250发出的由箭头“C”表示的可见光以便显示图像。此外，LCD面板240可以对红外光是透明的，以便从挠性波导204的表面204a逃逸的红外光穿过LCD面板240并且可通过成像传感器208成像。在一些实施例中，LEDs(或OLEDs)可被用作基于FTIR的触敏装置中的光源，因为LEDs(OLEDs)他们自己是发射元件，在其中LEDs(OLEDs)被用来产生输出图像的实施例中，可能会不需要背光(例如，背光250)。类似于LCD面板240，这样的LEDs(OLEDs)可以对红外光是透明的，并且可被布置在粘合到阻挠层206的一层中。
在一些实施例中，显示装置可包括作为该显示装置的一部分的一个或多个图像传感器(例如，图像传感器208可被嵌入到显示装置上或内部)。在一些情况中，LCD面板240可包括与驱动LCD面板240的液晶电池的薄膜晶体管交替的光电传感器。光电传感器可由对红外线光敏感的光电二极管(例如非定形的氢化硅锗、a-SiGe:H光电二极管)做成。这样的传感器的带隙是大约1.45电子伏特，并且可用来检测具有大约850nm的波长的光。替代地，光电二极管材料可具有被调成与源辐射的波长匹配的带隙。考虑到薄膜晶体管还可使用无定形半导体，光电传感器可在一些实施例中位于用来支撑薄膜晶体管的相同的基底上。为了主要检测与可见光相对比的红外线，光电传感器可覆盖有一过滤器，该过滤器使光在红外线波长范围内穿过同时反射或吸收具有不同波长的光。前述实施例的优点是其能使比使用位于显示装置之下并且远离显示装置的不连续的照相机的装置更薄的触敏装置成为可能。其他的显示装置还可包括嵌入的光电传感器。例如，主动式矩阵OLED装置可包括与OLED电池交替的红外线光电二极管。
如图2A和2B所示，由于FTIR当挠性波导204接触阻挠层206时从挠性波导204逃逸的辐射可由于例如阻挠层206的表面纹路、阻挠层206内的体积散射或挠性波导204和阻挠层206之间的不完全接触，而在许多不同的方向上传播。例如，从挠性波导204逃逸的一些辐射可在远离阻挠层206的方向上行进，而一些逃逸的辐射可朝向阻挠层206行进。结果，如图2B(和图2A)中的箭头“B”所示的一部分逃逸的辐射可能永远不会到达成像传感器208。尽管逃逸的辐射从不被成像传感器208成像，能使从阻挠的TIR俘获足够量的光到屈服位置的一个方法或许会增加注入到挠性波导204中的辐射强度。然而，该方法可引起操作效率降低。因此，替代的方法会配置阻挠层206以收集和/或控制从挠性波导204逃逸和朝向成像传感器208入射到阻挠层206上的辐射。
另一替代的方法是将光控制层260结合到触敏显示装置内部(参见，例如，图2B)。光控制层260可被配置为收集由于FTIR从挠性波导204逃逸的辐射并且改变收集的辐射的方向。在一些实施例中，光控制层260可以是漫射层(例如，表面漫射体或体积漫射体)。另外或替代地，光控制层260可被配置为在一个或多个特定方向上(例如，朝向成像传感器208)控制入射光。
类似于阻挠层206，光控制层260可由刚性的或非刚性的材料形成。另外，当集成为显示器的一部分时，光控制层260可由对由显示器光源发出的波长范围是透明的(或至少透射的)的材料形成。例如，光控制层260可由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、热塑性聚氨酯弹性体塑胶(TPU)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚对苯二甲酸二乙醇酯(PET)、三聚氰酸三烯丙醇酯(TAC)或者氯丁橡胶(PC)形成。也可使用其他的材料。在一些实施例中，典型地结合到LCD背光中的光漫射器还可起到光控制层的作用。在一些实施例中，光控制层260可被粘附到LCD面板240的底面。光控制层260可使用光学粘合剂被粘合到LCD面板240的底面，以提供光控制层260和LCD面板240之间的光学接触。替代地，如果LED(OLED)显示技术用于替代LCD显示技术，那么光控制层260可使用例如光学粘合剂被粘附到LEDs(OLEDs)的底面以提供光学接触。
在阻挠层206被配置为收集和/或控制从挠性波导204逃逸和朝向成像传感器208入射到层206上的辐射的实施例中，阻挠层206可被配置为控制逃逸的辐射到一定范围的角度内，以使逃逸的辐射转向成像传感器208上的基本上在挠性波导204和阻挠层206之间的接触点之下的位置上。通过收集和控制朝向成像传感器208的最佳区域的辐射，触敏装置200和270的操作效率可被增加。结果，更弱的辐射源202可被使用，并且杂散光问题可被减小。此外，通过控制更多的FTIR逃逸的辐射朝向成像传感器208，不能检测与装置200和270接触的可能性会被减小。阻挠层可由具有一工程材料形成，该工程材料具有形成在该工程材料的表面上或内部的光控制微观结构，该光控制微观结构被配置为在一个或多个特定方向上控制辐射/光。
同样地，在其中光控制层260被配置为收集和/或控制从挠性波导204逃逸的辐射的实施例中，光控制层260可被配置为控制逃逸的辐射到一定范围的角度内，以使逃逸的辐射转向至少基本上位于挠性波导204和阻挠层206之间的接触点之下的一位置上的一成像传感器208。，如图2A和2B中的箭头“A”所示。光控制层260可由一工程材料(engineered material)形成，该工程材料具有形成在该工程材料的表面上或内部的光控制微观结构，该光控制微观结构被配置为在一个或多个特定的方向上控制辐射/光。这样的光控制微观结构可被粘附到或形成在LCD面板240的背面上或内部，以使辐射/光在穿过LCD面板240之后在一个或多个特定的方向上被控制。同样地，具有光控制微观结构的工程材料可被粘附到或形成在例如为LED装置和OLED装置的其他光源的背面上或内部。这样的用于将从波导204逃逸的辐射重新定向的工程材料和光控制微观结构的各种实施例可被用于阻挠层206或光控制层260上或内部。
除了光控制微观结构之外或作为光控制微观结构的替代选择，光控制层260可包括漫射层。漫射层可被配置为收集和/或控制从挠性波导204逃逸并且朝向成像传感器208入射到光控制层260上的辐射。特别地，漫射层可引起入射辐射在通常位于辐射从挠性波导204逃逸的点之下的方向上传播或通常在宽范围的方向上而不是非常有限或特定的方向上传播。漫射层可由包括但不限于聚对苯二甲酸二乙醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或氯丁橡胶(PC)的材料形成。漫射层可具有大约100微米的基本上均匀的厚度，虽然也可以采用其他的厚度。
在一些实施例中，漫射层可包括表面漫射结构，其形成在例如为LCD面板240的材料的表面上或内部。在一些情况中，表面漫射结构是通过变粗糙LCD面板240中的一材料的表面形成的。例如，表面漫射结构可通过变粗糙玻璃基底的表面或LCD面板240的偏光器层以形成漫射从挠性波导204逃逸并且入射到LCD面板240上的辐射的表面而形成的。同样地，如果LED或OLED装置被用来替代LCD面板240，那么在例如为玻璃基底的LED或OLED装置中的一材料的表面可被弄粗糙以形成使已经从挠性波导204逃逸并且入射到LCD面板240上的辐射漫射的表面。
在LCD面板240内部或固定到LCD面板240的元件的表面可使用一个或多个方法被弄粗糙。例如，在一些实施例中，粗糙的“主表面”可被用作用于形成在LCD面板240上或内部的材料上的粗糙表面的模子。最初，主表面可以是光滑表面(例如，一光滑的玻璃或金属表面)，其被使用包括例如为砂纸、喷砂、或硬粉末的研磨材料被弄粗糙。粗糙表面还可通过用蚀刻剂(例如，酸)处理光滑的主表面，以在光滑的表面中产生随机凹点而产生的。例如，透明玻璃可通过用氢氟酸蚀刻所述表面而被弄粗糙。也可使用其他的用于弄粗糙的方法。弄粗糙的主表面然后可用来将粗糙的图案压印成塑料薄膜，例如LCD面板240的偏光器。替代将主表面用于压印，LCD面板240上或内部的材料可直接使用和上述相同的方法被弄粗糙。
在一些实施例中，不论是否为偏光器、玻璃衬底或LCD面板240上或内部的其他元件的一部分，粗糙表面具有在大约0.2到50微米的范围内的平均粗糙度(即，距离平均深度的表面偏差的算术平均值)的水平。在一些情况下，粗糙表面还具有大约0.2到50微米的均方根粗糙度。入射在粗糙表面上的光的漫射水平可根据光扩散角(即，在其穿过漫射体之后入射的平行光的近似角分布)进行测量。在一些实施例中，具有前述水平的粗糙度的漫射体具有超过大约160度的漫射角。
替代地，或除了表面漫射结构之外，漫射层可包括体积漫射结构，其通过至少一部分的块状材料一体形成。在一些实施例中，工程微观结构可被用于漫射层的表面上或内部。
在一些实施例中，由于FTIR从挠性波导204逃逸的辐射可在被LCD面板240(或LED装置)接收之后俘获在LCD面板240(或LED装置)内。在此情况中，当被放置成与LCD面板240(或LED装置)的表面接触或形成在LCD面板240(或LED装置)的表面上或内部时，光控制层260可起到耦合层的作用以耦合来自LCD面板240(或LED装置)的被俘获的辐射。在一些实施例中，LCD面板240(或LED装置)可利用例如折射率在数值上基本上近似于LCD面板240(或LED装置)的底面和光控制层260的光学粘合剂被放置成与光控制层260光学接触，以增强俘获的辐射的输出耦合。除了将LCD面板240粘附到光控制层260之外，光学粘合剂的存在可在有些情况下减小否则由于在LCD面板240和光控制层260的表面处的表面糙度和折射率不匹配会发生的反射。
在一些情况下，用于阻挠层和/或光控制层上或内部的工程微观结构包括衍射光学元件(DOEs)。通常，DOE结构是包括在光的波长的数量级上的折射率变化图形并且其主要衍射入射辐射的一结构。DOE结构可用数字产生为或用光学记录为相干光的两个波阵面之间的干涉图。在一些实施例中，在DOEs中的折射率变化图形可通过将干涉图转印到材料以使一系列的表示干涉图的最小和最大亮度的条纹与折射率变化图形相对应而得以形成。例如，干涉图可使用例如干涉光刻技术转印到记录材料。该图形可由穿过一个或多个不同材料的折射率或厚度的周期性的、随机的、半随机的、或在算术上复杂的、确定性的变化来表示。在一些情况下，转印的干涉图的条纹对应于一光栅结构。取决于设计和构造，DOE结构在一个或多个方向上透射或反射入射辐射。DOE结构可包括形成在一材料的表面上或内部的表面漫射结构，或通过至少一部分块状材料一体形成的体积漫射结构。
DOE结构包括称为全息光学元件(HOE)的一类结构，其可被认为属于两个种类：薄的全息图结构和厚的(体积)全息图结构。通常，薄的全息图结构包括基本上垂直于辐射入射到其上的表面变化的折射率变化的表面结构或平面，并且通常用来能透射地控制一定范围的波长到一个或多个特定的方向。它们可被用于与单独的反射装置(例如镜子)结合以进行反射操作。另一方面，厚的全息图结构可包括基本上平行于辐射入射到其上的表面运行的折射率变化的平面，并且通常使用Bragg选择性以将在一个或多个特定的入射角处入射的窄波段的波长反射或透射到一个或多个特定的方向。
在一些实施例中，在HOEs中折射率变化的平面可通过将干涉图转印到材料以使一系列的表示干涉图的最小和最大亮度的条纹与折射率变化的平面相对应而得以形成。例如，干涉图可使用例如干涉光刻技术被转印到记录材料。在一些情况下，转印的干涉图的条纹相当于一光栅结构。
光学模拟软件包可以用来便于薄的或厚的全息图结构的设计以将辐射引导在希望的方向上。Code
Figure BDA0000133490900000161
是所述光学模型软件包的一个例子，其可用来设计薄的或厚的全息图结构以将辐射引导希望的方向上。其他的光学模型软件包也是可利用的。
具有几个不同类型的用于控制逃逸的辐射的薄的全息图结构的阻挠层的例子被示出在图3-8中。在图3-8中示出的各种不同的阻挠层可被结合到触敏装置内，例如，如图2A和2B所示的触敏装置200和270。
图3是包括覆盖层305的挠性波导304和包括薄的全息图结构309的阻挠层306的横截面示意图。如图3所示，薄的全息图结构309被形成在基底303的表面上并且接触挠性波导304。薄的全息图结构309具有1位二进制(或更常见的，方波)的衍射光栅外形。光栅309可由和阻挠层306相同的材料形成或由不同的材料形成。光栅309可由一系列具有厚度h和宽度w的彼此间隔开距离d的固定间隔的结构311形成。此外，结构311的长度均匀地延伸穿过阻挠层306的表面(即，进出于纸面)。通过光栅层309透射的辐射的方向是光栅结构311和辐射波长的周期∏＝w+d的函数。
在一些情况下，光栅层309可包括覆盖层313。在这些实施例中，覆盖层313保护光栅层309的光栅结构311使其免受损坏并且可填满光栅结构311之间的空间。光栅结构311和覆盖层313可由对波长等于穿过波导304的辐射310的波长的辐射是透射的材料形成。如果触敏装置结合一显示器，光栅结构311和覆盖层313还可对用来产生显示的辐射的波长(例如，可见光)是透明的(或至少透射的)。覆盖313可由具有比得上或大于波导304的折射率的折射率的材料形成以允许FTIR发生在与波导304接触时。另外，覆盖层313可形成为具有大于光栅结构311的厚度h的厚度t。
当不存在外界刺激时，突起314维持阻挠层306和挠性波导304之间的小间隙312。当压力通过输入(未示出)被施加到一部分挠性波导304时，挠性波导304被变形并且挠性波导304的表面304a接触到阻挠层306。结果，穿过挠性波导304的一部分辐射310经受FTIR。辐射310的经受FTIR的部分然后在多个方向上从挠性波导304逃逸。
如图3所示，透射的薄的全息图结构309控制在通常垂直于阻挠层306的与波导304接触的表面的方向上从挠性波导304逃逸的辐射，以使所述逃逸的辐射与挠性波导304和阻挠层306之间的接触点对准。
虽然图3示出了薄的全息图结构309形成在阻挠层306的与波导304接触的表面306a上，但是薄的全息图结构另外或替代地可形成在阻挠层的没有与波导304接触的表面上。因此，在一些实施例中，来自LCD面板或显示源的可见光和全息图结构之间的干涉可被减小。例如，图4是包括覆盖层405的挠性波导404和包括透射的衍射光栅409的阻挠层406的横截面的示意图，所述透射的衍射光栅409形成于阻挠层409和与挠性波导404接触的表面406a相对的表面406b上。类似于光栅309，光栅409可包括一系列的固定间隔的光栅结构411。从波导404逃逸的一部分辐射行进穿过阻挠层406，并且随后被光栅409重新定向于一方向，所述方向总体地垂直于阻挠层406的表面406a，并且与挠性波导404和阻挠层406之间的接触点对准。
具有表面凹凸外形的薄的全息图结构的其他变化还可结合到阻挠层内或增加到阻挠层以控制辐射在希望的方向上。例如，图5示出形成在阻挠层506的表面上的光栅结构509，其中表面凹凸的深度h没有一直延伸到阻挠层506的表面。也就是说，光栅结构509偏离阻挠层509的表面。如在前述的例子中，通过TIR在波导504中传播的至少一部分辐射可在当波导504被按下以便接触阻挠层509时逃逸。图6示出阻挠层606的另一个例子，其可用来阻挠波导604中的TIR。阻挠层606包括具有多个水平或多位调制的二进制外形的光栅层609。如图6所示，多位调制的二进制外形包括由架子615分开的脊611和凹槽613。
除了仅仅在希望的方向控制辐射之外，薄膜全息图结构还可用来改进辐射在特定方向上透射的效率。例如，图7表示用于阻挠波导704中的TIR的阻挠层706，其中炫耀光栅结构709被形成在阻挠层706的表面上。如图7所示，衍射光栅709的凹槽形成具有闪耀角α的三角形外形。该闪耀角α是闪耀斜坡相对于其上形成闪耀结构709的平面的法线的测量值。改变闪耀脊之间的间隔确定了透射辐射的输出方向(衍射顺序的间隙)同时改变闪耀角α影响了入射辐射以特定衍射顺序透射的效率。
形成在阻挠层上或内部的光栅结构可具有除了二进制外形和闪耀外形之外的其他外形形状。例如，光栅结构可被形成为具有正弦曲线外形(即，对称的、正弦波形状的凹槽)或半正弦曲线(即，对称的、半正弦波形状的凹槽)外形。很多种类的外形可使用金刚石车削机械进行制造以产生主结构，其然后可被复制。全息光学元件可被认为是一般情况的光栅，其中该结构可是周期的、非周期的、随机的或嘈杂的、或它们的一些结合。另外，它们还可以横跨它们的孔口连续地或离散地(分段地)变化。
虽然图3-7所示的薄的全息图结构是周期性的，但是具有非周期性的光栅结构的薄膜全息图也可被形成在阻挠层上或内部，以控制由阻挠层接收到的辐射。在一些情况下，薄膜全息图结构包括一衍射图形，其中该衍射图形的条纹被以非周期性图案布置。该衍射图形的条纹可对应于由该衍射图形透射或反射的光强度是最小值或最大值的区域。替代地，或另外，所述条纹可对应于折射率变化的平面。这样的非周期性的全息图结构可进一步增加效率和/或波长选择性。在一些实施例中，被设计为在特定方向上透射大部分的逃逸的辐射的非周期性的全息图结构可包括为半随机的或随机的外形。例如，图8表示用于阻挠波导804中的TIR的阻挠层806，其中阻挠层806包括具有随机/非周期性的外形的薄全息图结构809。如图8所示，结构809的高度在阻挠层806之上变化，因此充当具有空气或其他覆盖层的漫射或噪音光栅，在所述覆盖层中入射辐射曝露于变动的折射率中。此外，半随机的漫射图形可被设计为将光衍射到希望的角度范围。这样设计的漫射体的两个示例是由加拿大的LuminitTM Corporation of Torrence制作的Light Shaping
Figure BDA0000133490900000181
和由加拿大的Wavefront Technology of Paramount制作的Tailored
Figure BDA0000133490900000182
结合图3-8描述的薄膜全息图结构可由与阻挠层相同或不同的材料形成。例如，漫射体、薄的全息图、和光栅可被压印在由PET、PMMA或PC形成的基底上。压印垫片由金刚石车削的、用数字或光学方式产生的主盘(master)做成。另一个常见的复制方法是固化所述结构在PET或其他基体材料上的树脂内的压痕。另外或替代地，在一些实施例中，全部具有大约均匀厚度的覆盖层(未示出)可设置在结合图3-8描述的薄膜全息图结构的表面上。覆盖层可由对由显示源发出的可见光是透明的(或至少透射的)的材料形成，并且可保护薄膜全息图结构使其免受损坏。
如上所述，厚的全息图结构是另一种类型的DOE结构，其可形成在阻挠层上或内部，以控制当波导接触到阻挠层时由于FTIR从波导逃逸的辐射。厚的全息图的一个特征在于该全息图是由与透射率或折射率的周期性变化相对应的层构成，所述变化至少在一定程度上平行于辐射入射在其上的全息图表面。在厚的全息图中，光借助于布拉格衍射(Bragg diffraction)透射，即具有修正的波长和波束形状(例如，波束方向、波阵面外形)的光将优先由厚的全息图透射，而其他的光将被反射或吸收。因而，与薄的全息图结构相比，厚的全息图结构用来在窄范围的入射角上透射相对小的波长范围，变成相对小的范围的输出角。例如，具有波长为850纳米的经历FTIR的辐射可通过厚的全息图结构朝向其中辐射行进的波导的法线透射，而可见光可不受影响地行进穿过厚的全息图结构。
厚的全息图结构通常导致比在薄的全息图结构中的更高的衍射效率。衍射效率与由全息图衍射的相对于入射到全息图上的总光量的光量相对应。厚的全息图可通过接触复制被从用光学产生的主盘复制成光敏聚合物。
图9是用于阻挠波导904中的TIR的阻挠层906的示例的横截面示意图，其中阻挠层906包括厚的全息图结构909。厚的全息图结构909包括具有折射率变化的几个材料层。由于折射率变化，这些材料层形成一系列的条纹平面930。条纹平面930以类似于多层电介质膜的方式控制入射辐射的反射或者透射。在厚的全息图结构中折射率调制的材料层的尺寸和所述材料被配置为透射在特定范围的角度内由阻挠层906接收到的辐射。用于厚的全息图结构的示例性的材料包括光敏聚合物和漂白卤化银。在一些实施中，厚的全息图结构与阻挠层906形成为一体，即厚的全息图结构，以及阻挠层906，形成单块的无缝的连续的材料。例如，如图9所示，厚的全息图结构909占据阻挠层906的整个厚度。然而，在一些情况下厚的全息图909可独立于阻挠层909的表面形成，且形成在阻挠层909的表面上而不是结合到阻挠层909内部。
图3-9示出了用于控制从挠性波导逃逸的辐射的不同全息图结构。如图3-9所示，这些全息图结构被形成在阻挠层的表面上或体积内。作为将这些全息图结构形成在阻挠层的表面上或体积内的替代选择，或除了将这些全息图结构形成在阻挠层的表面上或体积内之外，这些全息图结构的每个可形成在LCD层的底面上(类似于图2B中光控制层260如何形成在LCD层240的底面上)、在漫射层(例如，图2B中的光控制层260)的粘附到LCD层(例如，图2B中的LCD层240)的底面的体积内、或在漫射层(例如，图2B中的光控制层260)的底面上。与将全息图结构定位在阻挠层的表面上或内部相比，将全息图结构定位在LCD层之下可导致对由LCD层产生的输出图像的较小的干涉，因为当该全息图结构位于LCD层之下时，它们没有在LCD层和观察者之间的光程中。
图10A是阻挠层1006、全息图结构1009、和用于结合在触敏装置内的LCD层1040的一例子的横截面示意图。全息图结构1009形成在LCD面板1040的顶面上，并且被配置为将辐射重新定向为朝向图像传感器。类似于图9所示的全息图结构909，结构1009是一厚的全息图并且包括具有折射率变化的几个材料层。由于折射率变化，这几个材料层形成一系列的条纹平面1030。其他的衍射光学元件也可形成在LCD面板1040上。
与图10A中所示的实施例不同，在一些实施例中，厚的全息图结构1009形成在LCD面板1040的底面上(即，LCD面板1040的与阻挠层1006相反的表面上)，如图10B所示。将全息图结构1009定位在LCD面板1040之下可减小对由LCD面板1040发出的输出图像的干扰。如图10A-10B的示例所示，在具有覆盖层1005的波导1004中经历TIR的辐射在与阻挠层1006接触时被阻挠。被阻挠的辐射穿过阻挠层1006传播。在到达粘附到LCD面板1040的前表面或后表面的全息图结构1009时，辐射然后在基本上正交于阻挠层1006的平面1006a的窄范围角度内由全息图结构1009控制。因此，该辐射然后朝向成像传感器上的基本上位于挠性波导1004和阻挠层1006之间的接触点之下的位置前进。
当阻挠层1006被层叠到LCD面板1040时，例如如图10B所示，由于FTIR从挠性波导1004逃逸的辐射可在由LCD面板1040接收之后被俘获在LCD面板1040内(例如，通过TIR)。然而，当全息图结构1009被放置成与如图10B所示的LCD面板1040的底面光学接触时，全息图结构1009可在一些实施例中用来耦合来自LCD面板1040的俘获的辐射。替代地，如果全息图结构1009在LCD面板1040的顶面上，耦合层可被放置成与LCD面板1040的底面接触，以耦合来自LCD面板1040的被俘获的辐射。在一些实施例中，在LCD面板1040的顶面上的全息图结构1009被配置为控制沿着小于LCD面板1040的临界角的(如相对于LCD面板1040的底面的法线测量的角度)从挠性波导1004逃逸的辐射。因此，该辐射可在没有被俘获的情况下从LCD面板1040逃逸。在这些实施例中，例如基于PET的漫射体的耦合层可仍被放置成与LCD面板1040接触，以补充全息图结构1009的光控制。
在图10A-10B所示的两个例子中，全息图结构1009可使用光学粘合剂被粘附到LCD面板1040。除了粘附LCD面板1040到全息图结构1009之外，光学粘合剂的存在可在有些情况下减少否则由于折射率不匹配(其可发生在，例如在LCD面板1040和全息图结构1009之间的界面的空气空隙处)和在LCD面板1040和全息图结构1009的表面处的表面糙度会发生的反射。同样地，全息图结构1009和/或LCD面板1040可被粘附到阻挠层1006，取决于采用的配置。通过减小朝向观察者反射回的光量，由触敏装置提供的图像对比度可被改进。作为将全息图结构1009粘附到LCD面板1040的替代选择，在一些实施例中，全息图结构1009可形成为与阻挠层1006或LCD面板1040没有光学接触和/或体接触的分离层。
通过将厚的全息图分成许多子全息图，每个子全息图将希望波长的光引导到不同的方向上，有可能根据其入射在全息图上的位置有效地“位置编码”碰撞在阻挠层上的光。因而，从给定接触点入射的光可通过与接触点对应的方向被引导为朝向照相机或进入波导中。
图11是用于结合在触敏装置内的阻挠层1106的一示例的示意性的横截面图。如在该示例中所示的，厚的全息图结构1109被定位在阻挠层1106的表面上，并且全息图结构1109被分成多个子全息图1119。每个子全息图1119可在(由虚线箭头所示)朝向所述装置的例如定位有成像传感器1108的中心的方向上控制由于FTIR从波导1104逃逸的入射辐射。因此，每个子全息图1119可被配置为对于入射在其表面上的特定的辐射波长具有各自不同的透射角度。
作为将全息图结构1109(包括子全息图1119)形成在阻挠层1106的底面上的替代选择，或者除了将全息图结构1109(包括子全息图1119)形成在阻挠层1106的底面上之外，在一些实施例中，全息图结构1109(包括子全息图1119)可形成在LCD层的底面上(类似于图2B中光控制层260如何形成在LCD层240的底面上)或在漫射层(例如，图2B中的光控制层260)的粘附到LCD层(例如，图2B中的LCD层240)的底面的底面上。
除了发射层和DOE结构之外，或作为发射层和DOE结构的替代选择，折射光学元件(ROE)也可用作阻挠层和/或光控制层上或内部的工程微观结构，以当阻挠层接触所述波导时重新定向从波导逃逸的辐射。总的来说，ROE结构包括一系列明显大于入射辐射的波长的元件，并且主要通过折射定向辐射。在有些情况下，可在ROE结构中发生的相对小的量的衍射可补偿形成阻挠层的材料的色散特性。取决于设计和构造，ROE结构可在一个或多个方向上重新定向入射辐射。
图12A是用于阻挠波导1204中的TIR的阻挠层1206的一示例的示意性的横截面图。如图12A的例子中所示，ROE结构1209，例如包括单独的菲涅耳(Fresnel)棱镜元件1211的菲涅耳棱镜阵列形成在阻挠层1206的表面上。菲涅耳棱镜元件1211类似于图7所示的炫耀光栅结构，除了元件1211被形成为具有显著大于重新定向所要求的辐射波长的尺寸。例如，在本实施例中，棱镜元件1211之间的间距的尺寸可在几十个微米到毫米的量级。菲涅耳棱镜元件1211的棱可形成具有角度β的三角形外形，该角度β是棱镜斜度相对于其上形成元件1211的平面的法线的测量值。改变β可改变用于特定的入射角的、从结构1209折射的辐射方向。虽然图12A的例子示出了具有闪耀外形的菲涅耳棱镜结构，但是还可实施为包括但不限于正弦曲线或锯齿形状的其他外形。
在一些实施例中，密封剂1213可填充在菲涅耳元件1211或其他的ROE结构之间的间隔。密封剂1213可由透明的(或至少透射的)材料形成，该材料包括例如BPMA(p-溴苯甲酰甲基/异丁烯酸)、聚碳酸酯、聚苯乙烯、硅树脂以及其他树脂。在一些实施例中，密封剂材料可被选择为具有高或低的折射率。在这些实施例中，折射率可完全不同于ROE本身以使可发生折射。另外或替代地，在一些实施例中，全部具有大致均匀的厚度的覆盖层(未示出)可被设置在棱镜元件1211的表面上或在密封剂1213上。覆盖层可由对由显示源发出的可见光是透明的(或至少透射的)的材料形成并且可保护菲涅耳元件1211使其免受损坏。
作为将ROE结构1209(例如，菲涅耳棱镜元件1211)形成在如图12A所示的阻挠层1206的底面上的替代选择，或除了将ROE结构1209(例如，菲涅耳棱镜元件1211)形成在如图12A所示的阻挠层1206的底面上，在一些实施例中，ROE结构1209(例如，菲涅耳棱镜元件1211)可形成在LCD层的底面上(类似于在图2B中光控制层260如何形成在LCD层240的底面上)或在漫射层(例如，图2B中的光控制层260)的粘附到LCD层(例如，图2B中的LCD层240)的底面的底面上。
图12B示出了包括ROE结构1209的阻挠层1206的一示例的示意性横截面图，其中ROE结构1209具有斜截棱锥外形。也就是说，ROE结构1209包括一系列分离开间隙1223的斜截棱锥结构1221。在本实施例中，空气填充该间隙区域，虽然间隙1223可填充有折射率比形成棱锥结构1221的材料更小的其他材料。由于FTIR从波导1204逃逸的辐射(由箭头“B”所示)穿过阻挠层1206并且进入到ROE结构1209中。在一些情况下，ROE结构1209和阻挠层1206具有相当的折射率，以使当其进入ROE结构1209时存在辐射的最小折射。辐射然后被入射到棱锥结构1221的一个倾斜表面上。取决于该入射角，入射辐射可由于全内反射一次或多次地从结构1221的表面反射出去并且朝向所述装置返回(如箭头“D”所示)。
作为将ROE结构1209形成在如图12B所示的阻挠层1206的底面上的替代选择，或除了将ROE结构1209形成在如图12B所示的阻挠层1206的底面上，在一些实施例中，ROE结构1209可形成在LCD层的底面上(类似于在图2B中光控制层260如何形成在LCD层240的底面上)或在漫射层(例如，图2B中的光控制层260)的粘附到LCD层(例如，图2B中的LCD层240)的底面的底面上。
ROE结构可与阻挠层(或LCD)形成为一体，即作为单块的无缝的连续的材料或，替代地，与阻挠层(或LCD层)分离开。在一些情况下，ROE结构可被层叠到阻挠层(或LCD层)或使用粘合剂粘附到阻挠层。ROE结构可使用包括但不限于丙烯酸树脂、PET、PMMA、TPU或PC基底的材料而形成。预先制造ROE结构的示例包括VikuitiTM薄的亮度增强膜(TBEF)和VikuitiTM直角透射膜(TRAF)，二者可从3M(St.Paul，MN)买到。
在一些实施例中，阻挠层可形成在挠性波导之上和之下以使当输入施加压力到所述装置时，FTIR可在挠性波导上最少两个分离区域处被诱发。通过增加沿着发生FTIR的波导的区域的数目，逃逸的辐射的量可增加。如果另外的辐射被图像传感器检测到，那么该装置的灵敏度可增加。
图13是用于结合在触敏装置内部的示例性的阻挠层1306和1307的示意性横截面图。阻挠层1306位于波导1304之下而挠性阻挠层1307位于波导1304之上。
在一些实施例中，突起1315可形成在挠性阻挠层1307上或为挠性阻挠层1307的一部分以维持挠性波导1304和挠性阻挠层1307之间的间隙。在这些实施例中，突起1315可与挠性阻挠层1304形成为一体，即突起1315，以及挠性阻挠层1307，形成单块的无缝的、连续的材料。在一些实施例中，具有随机(或半随机)间隔的突起的微粗糙度层可形成在挠性阻挠层1307的表面上，其中微粗糙度基本上起到突起1315的作用。在一些情况下，突起1315由与挠性阻挠层1307和/或挠性波导1304不同的材料形成。例如，玻璃垫片可用来分离丙烯酸树脂波导与聚碳酸酯阻挠层。突起1315之间的间距可以是随机的、伪随机的或周期性的。
当输入压力被对象(未示出)施加到所述装置时，挠性阻挠层1307变形以使其接触到挠性波导1304。在一些情况下，进一步施加压力到所述装置将还引起波导1304变形以使波导1304接触到阻挠层1306同时保持与挠性阻挠层1307接触。结果，至少两个接触区域可通过挠性波导1304产生，该至少两个接触区域诱发穿过波导1304的辐射1310的FTIR。
在波导1304和阻挠层1306之间的第一接触区域1380处，辐射1310由于FTIR逃逸并且在朝向阻挠层1306的方向上行进。在波导1304和挠性阻挠层1307之间的第二接触区域1382处，辐射1310也由于FTIR逃逸并且在朝向挠性阻挠层1307的方向上行进。阻挠层1306和阻挠层1307两者可包括DOE结构和/或ROE结构，以朝向触敏装置的成像传感器重新定向所述辐射。例如，阻挠层1306包括第一厚的全息图结构1309，其设置在其底面上以重新定向从第一接触区域1380逃逸的辐射，其中所述重新定向的光线由箭头“A”表示。同样地，挠性阻挠层1307包括第二厚的全息图结构1329，其设置在其顶面上以重新定向从第二接触区域1382逃逸的辐射，其中所述重新定向的光线由箭头“B”表示。然后，光线B在穿过波导1304和阻挠层1306之后再次被第一厚的全息图结构1309重新定向。因为被厚的全息图结构1329重新定向的光最后可再次被厚的全息图结构1309重新定向，厚的全息图结构1329可被故意地设计为计入其重新定向(例如，图13中的箭头“B”)的由厚的全息图结构1309引起的光角的任何改变。在一些情况下，所述DOE和/或ROE结构可被设计为补偿可通过触敏装置中的其他结构发生的折射和/或衍射。
如图13所示，虽然光线A和B由于沿着波导1304的它们从其逃逸的不同位置被横向分离，但是，在一些实施例中，能够确定光线是与触敏装置接触的单个点结果。例如，在一些情况下，光线A和B之间的分离足够小以使两个光线入射在同一成像传感器上，从而两个光线对图像传感器而言是难区分的。替代地，如果光线入射在分离的图像传感器上，能够进行图像处理操作的合适的电脑(未示出)或其他电子器件可执行平均算法以识别分离的光线之间的与单个接触点对应的平均位置。
作为将DOE和/或ROE结构1309形成在如图13所示的阻挠层1306的底面上的替代选择，或除了将DOE和/或ROE结构1309形成在如图13所示的阻挠层1306的底面上，在一些实施例中，ROE结构1309可形成在LCD层的底面上(类似于在图2B中光控制层260如何形成在LCD层240的底面上)或在漫射层(例如，图2B中的光控制层260)的粘附到LCD层(例如，图2B中的LCD层240)的底面的底面上。
作为前述实施例的替代选择或除了前述实施例之外，触敏装置可包括屏幕投影层，光从显示装置成像在该屏幕投影层上。例如，图14是触敏装置1400的示意性横截面图，其中触敏装置1400包括辐射1410通过TIR正穿过其行进的挠性波导层1404、阻挠层1406、显示装置1430和屏幕投影层1490。屏幕投影层1490可包括漫射层(例如，表面漫射结构或体积漫射结构)、DOE结构或ROE结构(例如，菲涅耳透镜)。屏幕投影层1490可由包括但不限于玻璃、PMMA、PET、PC、PVC、TPU、或TAC，的材料形成。在一些实施例中，触敏装置1400还可包括，但不必需，光控制层1460，该光控制层邻近屏幕投影层1490，用于控制或重定向在与阻挠层1406接触时由于FTIR而从挠性波导1404已经逃逸的辐射。光控制层1460可包括DOE结构或ROE结构(例如，菲涅耳透镜)。光控制层1460可由包括但不限于玻璃、PMMA、PET、PC、PVC、TPU、或TAC的材料形成。光控制层1460和屏幕投影层1490可以是例如Alpha和Beta屏幕的薄膜，它们能够从DNP丹麦AS买到。
如图14的例子所示，从显示装置1430(例如，例如为图像投影机的投影光源)发出的可见光(由箭头“B”所示)被朝向触敏装置1400的顶面(即朝向阻挠层1406和挠性波导1404)发出并且入射到光控制层1460上。由于屏幕投影层1490的漫射性质，该可见光被漫射并且成像在屏幕投影层1490上，形成对用户观察装置1400是可见的图像。在一些情况下，被结合到光控制层1460中的光控制结构可被配置为重新定向在与阻挠层1406接触时由于FTIR已经从波导1404逃逸的辐射(例如，红外辐射)。例如，如图14所示，从波导1404逃逸的辐射(由箭头“A”所示)穿过屏幕投影层1490并且入射在光控制层1460上。包括光控制结构的光控制层1460然后重定向入射辐射朝向一个或多个成像传感器1408。
替代地，光控制层1460可包括两种替代类型的光控制结构：配置为漫射可见光的第一组光控制结构和配置为重定向已经从波导1404逃逸的辐射的第二组光控制结构。在一些实施例中，光控制层1460不包括配置为重定向已经从波导1404逃逸的辐射的光控制结构。替代地，这些光控制结构可形成在阻挠层1406上或内部。
替代地，在其中光控制层1460没有包括在触敏装置中的实施例中，在屏幕投影层1490上或内部采用的光控制结构还可配置为使在与阻挠层1406接触时由于FTIR已经从波导1404逃逸的辐射(例如，红外辐射)漫射。例如，屏幕投影层1490可包括两种替代类型的光控制结构：配置为漫射可见光的第一组光控制结构和配置为重定向已经从波导1404逃逸的辐射的第二组光控制结构。
在一些实施例中，屏幕投影层1490和光控制层1460被粘结或层叠在一起。该粘结/层叠可使用例如为光学粘合剂的粘合剂进行，以提供屏幕投影层1490和光控制层1460之间的光学接触。替代地，或另外，屏幕投影层1490可使用例如为光学粘合剂的粘合剂被粘结到阻挠层1406。在一些情况下，空气空隙可出现在阻挠层1406和屏幕投影层1490之间和/或屏幕投影层1490和光控制层1460之间。
已经描述若干实施例。然而，可进行各种修改。例如，虽然在本文中公开的许多实施例被描述为使用LCD技术以产生输出图像，但是OLED或LED技术可替代在这些公开的实施例的每个中采用的LCD技术以产生输出图像。OLEDs和LEDs通常都又是发射元件。因此，在使用OLED或LED技术以产生输出图像的实施例中，可能不需要背光。因此，其他的实施例在以下权利要求的范围内。

Claims (55)

1.一种触屏装置，包括：
辐射源；
挠性波导，该挠性波导被配置为接收由所述辐射源发出的辐射并且引起至少一些接收到的辐射经历在所述挠性波导内的全内反射；
阻挠层，该阻挠层相对于所述挠性波导设置，以便当所述挠性波导被物理变形时能使所述阻挠层接触所述挠性波导，所述阻挠层被配置为：
当所述挠性波导被物理变形以接触所述阻挠层而使在所述挠性波导内经历全内反射的一些接收到的辐射在接触点从所述挠性波导逃逸时，致使在所述阻挠层和所述挠性波导之间的接触点处阻挠所接收到的辐射在所述挠性波导内的全内反射；以及
成像传感器，该成像传感器被配置为检测至少一些从所述挠性波导逃逸的辐射。
2.如权利要求1所述的触屏装置，其中所述阻挠层包括一结构，该结构配置为控制从所述挠性波导朝向所述图像传感器逃逸的辐射的至少一部分。
3.如权利要求2所述的触屏装置，其中所述结构包括光漫射表面。
4.如权利要求2所述的触屏装置，其中所述结构包括和所述阻挠层为一体的体漫射结构。
5.如权利要求2所述的触屏装置，其中所述结构包括对应于光栅结构的衍射图形。
6.如权利要求5所述的触屏装置，其中所述光栅结构包括闪耀光栅外形、方波外形、1位二进制的衍射光栅外形、多位调制的二进制外形、正弦曲线外形和半正弦曲线外形中的至少一个。
7.如权利要求2所述的触屏装置，其中所述结构包括非周期性的衍射图形。
8.如权利要求2所述的触屏装置，其中所述结构包括一衍射图形，在该衍射图形中折射率变化的平面基本上平行于所述阻挠层的辐射入射在其上的表面对准。
9.如权利要求2所述的触屏装置，其中所述结构在所述阻挠层的最邻近所述挠性波导的表面上。
10.如权利要求2所述的触屏装置，其中所述结构在所述阻挠层的最远离所述挠性波导的表面上。
11.如权利要求2所述的触屏装置，其中所述结构被配置为通过衍射控制从所述挠性波导朝向所述成像传感器逃逸的辐射的至少一部分。
12.如权利要求2所述的触屏装置，其中所述结构被配置为通过折射控制从所述挠性波导朝向所述成像传感器逃逸的辐射的至少一部分。
13.如权利要求12所述的触屏装置，其中所述结构包括棱镜阵列。
14.如权利要求2所述的触屏装置，其中所述结构被分成几个子结构，并且每个子结构被配置为控制从所述挠性波导朝向所述成像传感器逃逸的辐射。
15.如权利要求1所述的触屏装置，进一步包括一挠性阻挠层，该挠性阻挠层相对于所述挠性波导设置以便当所述挠性阻挠层被物理变形时能使所述挠性阻挠层接触所述挠性波导，该挠性阻挠层被配置为：
当所述挠性阻挠层被物理变形以接触所述挠性波导而使在所述挠性波导内经历全内反射的一些接收到的辐射在所述挠性阻挠层和所述挠性波导之间的接触点从所述挠性波导逃逸时，致使在所述挠性阻挠层和所述挠性波导之间的接触点处阻挠所接收到的辐射在所述挠性波导内的全内反射。
16.如权利要求15所述的触屏装置，其中所述阻挠层被设置在所述挠性波导层的第一侧上和所述挠性阻挠层被设置在所述挠性波导层的相对的第二侧上。
17.如权利要求15所述的触屏装置，其中所述挠性阻挠层可包括一结构，该结构被配置为控制从所述挠性波导朝向所述成像传感器逃逸的至少一部分辐射。
18.如权利要求1所述的触屏装置，进一步包括邻近所述阻挠层的显示装置。
19.如权利要求18所述的触屏装置，其中所述阻挠层被固定到所述显示装置。
20.如权利要求19所述的触屏装置，其中所述阻挠层与所述显示装置光学接触。
21.如权利要求18所述的触屏装置，进一步包括一耦合层，其中该耦合层与所述显示装置的距离所述阻挠层最远的一侧接触并且其中所述耦合层被配置为耦合来自所述液晶层的辐射。
22.如权利要求21所述的触屏装置，其中所述耦合层与所述显示装置的距离所述阻挠层最远的侧部光学接触。
23.如权利要求18所述的触屏装置，其中所述显示装置是一液晶装置。
24.如权利要求18所述的触屏装置，其中所述显示装置是有机发光二极管装置。
25.如权利要求18所述的触屏装置，其中所述显示装置包括一结构，该结构被配置为控制从所述挠性波导朝向所述成像传感器逃逸的至少一部分辐射。
26.如权利要求25所述的触屏装置，其中所述结构包括所述显示装置的偏光器或基底。
27.如权利要求25所述的触屏装置，其中所述结构包括一光漫射结构。
28.如权利要求27所述的触屏装置，其中所述光漫射结构包括体漫射层。
29.如权利要求28所述的触屏装置，其中所述光漫射结构包括表面漫射层。
30.如权利要求18所述的触屏装置，其中所述显示装置包括所述成像传感器。
31.如权利要求30所述的触屏装置，其中所述成像传感器被嵌入到所述显示装置中。
32.如权利要求1所述的触屏装置，进一步包括邻近所述阻挠层的屏幕投影层。
33.如权利要求1所述的触屏装置，其中所述阻挠层包括屏幕投影层。
34.如权利要求1所述的触屏装置，进一步包括在所述挠性波导的表面上的覆盖层。
35.如权利要求2所述的触屏装置，进一步包括在所述结构上的覆盖层。
36.如权利要求35所述的触屏装置，其中所述覆盖层的几个部分位于由所述结构限定的凹槽内。
37.一种触屏装置，包括：
辐射源；
挠性波导，该挠性波导被配置为接收由所述辐射源发出的辐射并且使得至少一些接收到的辐射在所述挠性波导内经历全内反射；
阻挠层，该阻挠层相对于所述挠性波导设置以便当所述挠性波导被物理变形时能使所述阻挠层的顶面接触所述挠性波导，所述阻挠层被配置为：
当所述挠性阻挠层被物理变形以接触所述阻挠层的顶面而使在所述挠性波导内经历全内反射的一些接收到的辐射在所述接触点从所述挠性波导逃逸时，致使在所述阻挠层的顶面和所述挠性波导之间的接触点处阻挠所接收到的辐射在所述挠性波导内的全内反射；
图像产生层，该图像产生层设置成邻近于所述阻挠层的与该阻挠层的顶面相对的底面，所述图像产生层具有面向所述阻挠层的底面的顶面以及与该图像产生层的顶面相对的底面，并且所述图像产生层被配置为朝向所述阻挠层和所述挠性波导发出输出图像，并且对于由所述辐射源发出的辐射是透射的；
成像传感器，该成像传感器被配置为检测从所述挠性波导逃逸的至少一部分辐射；以及
光控制结构，该光控制结构被设置成邻近于所述图像产生层的底面，该光控制结构被配置为控制从所述挠性波导朝向所述图像传感器逃逸的至少一部分辐射。
38.如权利要求37所述的触屏装置，其中所述光控制结构与所述图像产生层的底面光学接触。
39.如权利要求37所述的触屏装置，其中所述光控制结构被固定到所述图像产生层的底面。
40.如权利要求37所述的触屏装置，其中所述图像产生层的顶面与所述阻挠层的底面光学接触。
41.如权利要求37所述的触屏装置，其中所述图像产生层的顶面被固定到所述阻挠层的底面。
42.如权利要求37所述的触屏装置，其中所述图像产生层包括液晶装置。
43.如权利要求37所述的触屏装置，其中所述图像产生层包括发光二极管装置。
44.如权利要求43所述的触屏装置，其中所述发光二极管装置包括有机发光二极管装置。
45.如权利要求37所述的触屏装置，其中所述光控制结构包括光漫射结构。
46.如权利要求45所述的触屏装置，其中所述光漫射结构包括表面漫射层。
47.如权利要求45所述的触屏装置，其中所述光漫射结构包括体漫射层。
48.如权利要求37所述的触屏装置，其中所述光控制结构包括对应于光栅结构的衍射图形。
49.如权利要求37所述的触屏装置，其中所述光控制结构包括非周期性的衍射图形。
50.如权利要求37所述的触屏装置，其中所述光控制结构包括一衍射图形，在该衍射图形中，折射率变化的平面基本上平行于所述阻挠层的辐射入射在其上的表面对准。
51.如权利要求37所述的触屏装置，其中所述光控制结构被配置为通过衍射控制从所述挠性波导朝向所述成像传感器逃逸的至少一部分辐射。
52.如权利要求37所述的触屏装置，其中所述光控制结构被配置为通过折射控制从所述挠性波导朝向所述成像传感器逃逸的至少一部分辐射。
53.如权利要求37所述的触屏装置，进一步包括在所述挠性波导的表面上的覆盖层。
54.如权利要求37所述的触屏装置，进一步包括在所述光控制结构的表面上的覆盖层。
55.如权利要求37所述的触屏装置，进一步包括多个成像传感器，每个成像传感器被配置为检测从所述挠性波导逃逸的至少一些辐射。
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